毫米波人員監(jiān)測(cè)雷達(dá)在智能安防、站臺(tái)預(yù)警與行人監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

導(dǎo)讀：隨著無線電技術(shù)的快速發(fā)展，毫米波雷達(dá)逐漸成為智能安防系統(tǒng)中的一個(gè)重要研究領(lǐng)域。毫米波雷達(dá)傳感器以其抗干擾能力強(qiáng)，精度高和遠(yuǎn)距離測(cè)量等優(yōu)勢(shì)，在智能安防系統(tǒng)中發(fā)揮著重要作用。目前，基于毫米波雷達(dá)傳感器移動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)和跟蹤算法的毫米波人員監(jiān)測(cè)雷達(dá)被越來越多的應(yīng)用在站臺(tái)預(yù)警、行人監(jiān)測(cè)、智能安防、智慧養(yǎng)老與智慧社區(qū)等眾多智能安防監(jiān)控領(lǐng)域。

毫米波，是工作在毫米波波段（millimeter wave），工作頻率在30～300GHz，波長(zhǎng)在1～10mm之間的電磁波。毫米波的波長(zhǎng)介于微波和紅外線之間，因此毫米波雷達(dá)兼有微波雷達(dá)和光電雷達(dá)的一些優(yōu)點(diǎn)。目前用于人員監(jiān)測(cè)的傳感器除了毫米波雷達(dá)以外，還包括：激光雷達(dá)、超聲波雷達(dá)、攝像頭等。

攝像頭探測(cè)范圍廣、監(jiān)測(cè)的信息量大，能夠遙測(cè)，但其數(shù)據(jù)計(jì)算量大，要求傳輸帶寬大，易受天氣、遮擋物影響，并且無法直接獲得深度信息，并且易泄露個(gè)人隱私。

超聲波雷達(dá)測(cè)距方法簡(jiǎn)單，成本低，但其傳輸速度易受天氣影響，且超聲波散射角大、方向性較差，在測(cè)量較遠(yuǎn)距離目標(biāo)時(shí)，其回波信號(hào)比較弱，影響測(cè)量精度。

激光雷達(dá)測(cè)量精度高，但易受自然光或是熱輻射的影響，在自然光強(qiáng)烈或是輻射區(qū)域的時(shí)候，激光雷達(dá)會(huì)被削弱很多，且激光雷達(dá)造價(jià)成本高，對(duì)工藝水平要求也比較高。

毫米波雷達(dá)可直接獲得深度信息，不受光、熱、霧、煙、灰塵等外界環(huán)境因素的影響，抗干擾能力強(qiáng)，環(huán)境適應(yīng)性好，且不會(huì)泄露個(gè)人隱私。其測(cè)量精度與穩(wěn)定性優(yōu)于攝像頭與超聲波雷達(dá)，工藝水平要求與造價(jià)成本低于激光雷達(dá)，具有較高的商業(yè)應(yīng)用價(jià)值。因此，毫米波人員監(jiān)測(cè)雷達(dá)被越來越多的應(yīng)用在站臺(tái)預(yù)警、行人監(jiān)測(cè)、智能安防、智慧養(yǎng)老與智慧社區(qū)等眾多領(lǐng)域。

巍泰技術(shù)（武漢）有限公司人員監(jiān)測(cè)雷達(dá)WTR-810/820采用毫米波技術(shù)原理和公司自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的數(shù)據(jù)處理算法，可廣泛應(yīng)用于道路斑馬線、公共客運(yùn)站臺(tái)/出入口通道及室內(nèi)等眾多場(chǎng)景目標(biāo)人員的人數(shù)統(tǒng)計(jì)、方向信息獲取、活動(dòng)軌跡跟蹤、區(qū)域安防預(yù)警等。目前，WTR-810/820已通過了宿舍人員計(jì)數(shù)、衛(wèi)生間人數(shù)統(tǒng)計(jì)、高鐵站臺(tái)防入侵預(yù)警、斑馬線行人過街預(yù)警等多場(chǎng)景應(yīng)用測(cè)試，并已獲得“ITS Asia 2021年度創(chuàng)新產(chǎn)品推薦”獎(jiǎng)，以及國內(nèi)外諸多企業(yè)的認(rèn)可，順利進(jìn)入商用階段。

一、智能安防：人員計(jì)數(shù)與軌跡跟蹤

巍泰技術(shù)（武漢）有限公司人員監(jiān)測(cè)雷達(dá)是基于毫米波線性調(diào)頻脈沖毫米波雷達(dá)芯片，采用FMCW、MIMO等技術(shù)，具有測(cè)距、測(cè)速精度高，測(cè)角分辨率高及虛警率低等優(yōu)點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)室內(nèi)、室外多場(chǎng)景多目標(biāo)人員的準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)、精確定位與穩(wěn)定跟蹤，并有效區(qū)分人與非人物體，統(tǒng)計(jì)目標(biāo)人員數(shù)量，穩(wěn)定輸出多個(gè)目標(biāo)人員的距離、速度和角度等信息。

1、人員監(jiān)測(cè)與數(shù)量統(tǒng)計(jì)

人員監(jiān)測(cè)與數(shù)量統(tǒng)計(jì)是現(xiàn)有多個(gè)場(chǎng)景中不可缺少的數(shù)據(jù)，如機(jī)場(chǎng)、商場(chǎng)、連鎖店、車站、博物館、會(huì)議室等場(chǎng)合，人員發(fā)現(xiàn)清點(diǎn)和數(shù)據(jù)估計(jì)在安全管理，提高整體服務(wù)水平等方面起重要作用。現(xiàn)有人員計(jì)數(shù)應(yīng)用中，主要有攝像頭識(shí)別，紅外識(shí)別，傳統(tǒng)人工清點(diǎn)，還有采用自動(dòng)清點(diǎn)的機(jī)械設(shè)備，采用rfid的門禁系統(tǒng)等。但這些方法受到成本，準(zhǔn)確率，實(shí)施難等方面的限制，使得人員計(jì)數(shù)的應(yīng)用在經(jīng)濟(jì)性和準(zhǔn)確性上很難取得平衡。而毫米波雷達(dá)傳感器的利用可以對(duì)人員計(jì)數(shù)的這些缺陷進(jìn)行補(bǔ)足，具有廣闊的應(yīng)用前景。

巍泰技術(shù)（武漢）有限公司人員監(jiān)測(cè)雷達(dá)WTR-810/820，通過對(duì)監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)移動(dòng)目標(biāo)人員所反射電磁波的計(jì)算分析，獲取目標(biāo)人員當(dāng)前的速度和位置，并在輸出目標(biāo)人員速度和位置的同時(shí)實(shí)現(xiàn)軌跡跟蹤。此外，還可通過對(duì)目標(biāo)人員的位置分析，判斷目標(biāo)人員是否進(jìn)入所繪制的監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)，統(tǒng)計(jì)并輸出各區(qū)域內(nèi)監(jiān)測(cè)到的目標(biāo)數(shù)量。

2、虛警消除與軌跡跟蹤

人員監(jiān)測(cè)雷達(dá)綜合采用FMCW、MIMO等技術(shù)，運(yùn)用靜止物體消除算法、人與非人物體區(qū)分算法、多徑干擾消除算法和多目標(biāo)跟蹤算法等，有效區(qū)分出人與其他物體，消除虛假檢測(cè)，實(shí)現(xiàn)室內(nèi)環(huán)境下多目標(biāo)的跟蹤識(shí)別。

靜止物體消除算法主要用于消除室內(nèi)環(huán)境下靜止不動(dòng)的物體（如墻、桌椅等），該算法在信號(hào)處理模塊和數(shù)據(jù)處理模塊均有涉及，通過消除零多普勒通道目標(biāo)可以實(shí)現(xiàn)靜止物體的濾除，避免靜止物體對(duì)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的干擾。

人與非人物體區(qū)分算法主要用于人與帶有微動(dòng)的物體（如轉(zhuǎn)動(dòng)的電風(fēng)扇、飄動(dòng)的窗簾等）的區(qū)分。微動(dòng)的物體具有一定的多普勒速度，容易引起毫米波雷達(dá)傳感器的誤判，進(jìn)而對(duì)其進(jìn)行跟蹤輸出。人與非人物體區(qū)分算法會(huì)統(tǒng)計(jì)人與微動(dòng)物體的特性，提取有效特征，進(jìn)行目標(biāo)區(qū)分，最后只輸出目標(biāo)人員的跟蹤軌跡結(jié)果。

多徑干擾消除算法主要用于消除室內(nèi)場(chǎng)景中目標(biāo)運(yùn)動(dòng)所帶來的虛假檢測(cè)點(diǎn)，避免這些虛假檢測(cè)點(diǎn)被毫米波雷達(dá)傳感器誤認(rèn)為目標(biāo)進(jìn)行跟蹤輸出，造成虛警的問題。該算法會(huì)根據(jù)室內(nèi)環(huán)境面積以及毫米波雷達(dá)傳感器所得到的原始檢測(cè)點(diǎn)信息（如距離、速度、角度和信噪比等），進(jìn)行綜合判決，判斷得到的原始檢測(cè)點(diǎn)是否為虛假點(diǎn)，從而將其濾除，大大降低室內(nèi)環(huán)境下多徑所帶來的虛警問題。

多目標(biāo)跟蹤算法主要用于對(duì)室內(nèi)環(huán)境下多個(gè)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)進(jìn)行精確定位和穩(wěn)定跟蹤。此算法首先會(huì)對(duì)原始檢測(cè)點(diǎn)進(jìn)行有效聚類，得到不同目標(biāo)類簇，然后借助擴(kuò)展卡爾曼濾波算法對(duì)不同簇進(jìn)行跟蹤濾波處理，最后得到穩(wěn)定的運(yùn)動(dòng)目標(biāo)軌跡。

二、站臺(tái)預(yù)警：站臺(tái)端頭入侵監(jiān)測(cè)預(yù)警

隨著“四橫四縱”高鐵網(wǎng)絡(luò)的基本建成，各類樞紐車站站臺(tái)、股道數(shù)量增多，運(yùn)營車次數(shù)量加大，發(fā)車間隔變短，人流密度同步增高，站臺(tái)區(qū)域在上下車時(shí)人員聚集情況嚴(yán)重。此外，還存在極個(gè)別旅客人群試圖通過站臺(tái)端頭逃票方式侵入鐵路線路的行為，這不僅會(huì)給旅客帶來極大的安全風(fēng)險(xiǎn)，還會(huì)影響鐵路運(yùn)營秩序。

目前，車站站臺(tái)端頭的防護(hù)一般采取值班人員全天候值守的方式，各車站只能通過增加巡檢人員數(shù)量、提高巡檢頻次來保障運(yùn)營安全。但基于人工巡視，發(fā)生緊急情況時(shí)通過對(duì)講、電話等形式實(shí)現(xiàn)站房安全管理的集中監(jiān)管，存在巡視有盲區(qū)、警情傳遞慢、處置不及時(shí)的弊端。鑒于這種形式，站臺(tái)端頭入侵報(bào)警系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生。站臺(tái)端頭入侵報(bào)警系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)站臺(tái)端頭全天候、全自動(dòng)化監(jiān)測(cè)，節(jié)省人力物力。再結(jié)合視頻系統(tǒng)可隨時(shí)調(diào)出報(bào)警記錄對(duì)應(yīng)時(shí)間內(nèi)的歷史視頻，方便對(duì)入侵行為進(jìn)行舉證，約束站臺(tái)旅客行為，起到震懾作用。

入侵人員監(jiān)測(cè)雷達(dá)作為高鐵站臺(tái)端頭入侵預(yù)警系統(tǒng)技術(shù)核心，其測(cè)量靈敏度與準(zhǔn)確性決定了整個(gè)入侵預(yù)警系統(tǒng)的及時(shí)性與可靠性。巍泰技術(shù)人員監(jiān)測(cè)雷達(dá)WTR-820采用新一代毫米波MMIC集成射頻方案，穩(wěn)定性好、成本適宜；結(jié)合MIMO多天線設(shè)計(jì)，波束合成（DBF）技術(shù)，回波定向強(qiáng)、覆蓋范圍廣；創(chuàng)新的陣子優(yōu)化調(diào)整分配功率，實(shí)現(xiàn)更大增益，保證了雷達(dá)測(cè)量的靈敏度與精準(zhǔn)度。此外，雷達(dá)自帶開機(jī)自動(dòng)校準(zhǔn)和溫度補(bǔ)償功能，抗干擾能力強(qiáng)，中心頻率不漂移，保證雷達(dá)監(jiān)測(cè)不受風(fēng)、光照、溫度變化以及煙、霧、灰塵等外界環(huán)境因素的干擾，進(jìn)一步保證了雷達(dá)測(cè)量的精準(zhǔn)度與穩(wěn)定性。

根據(jù)站臺(tái)需求，在需要進(jìn)行入侵探測(cè)的站臺(tái)端頭設(shè)置垂直于軌道方向的多道人員監(jiān)測(cè)雷達(dá)探測(cè)防線，并對(duì)監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)的入侵人員軌跡進(jìn)行實(shí)時(shí)跟蹤，同時(shí)配合攝像頭進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，方便管理中心工作人員實(shí)時(shí)監(jiān)控預(yù)警與后續(xù)違法舉證。當(dāng)有人非法穿越或破壞第一道防線時(shí)，雷達(dá)可立即探測(cè)到入侵信息，通過入侵報(bào)警主控器或?qū)⒕橥ㄟ^本地警號(hào)語音進(jìn)行勸退；當(dāng)有人非法穿越或破壞第二道防線時(shí)，雷達(dá)可立即探測(cè)到入侵信息，通過入侵報(bào)警主控器將警情傳送到后端平臺(tái)管理中心，管理中心對(duì)報(bào)警信號(hào)進(jìn)行接收和處理，客戶端顯示出發(fā)生入侵報(bào)警行為的站臺(tái)端頭地點(diǎn)；同時(shí)，管理中心及現(xiàn)場(chǎng)外接的聲音報(bào)警器開始報(bào)警，并在電腦屏幕上彈出該端頭監(jiān)控畫面。指揮中心當(dāng)班人員可通過語音對(duì)講進(jìn)行勸退，勸退不成功時(shí)，通知站臺(tái)工作人員立即趕往現(xiàn)場(chǎng)處理。

三、行人監(jiān)測(cè)：斑馬線行人過街狀態(tài)監(jiān)測(cè)

根據(jù)《道路交通安全法》第七十六條：機(jī)動(dòng)車行經(jīng)人行橫道時(shí)，應(yīng)當(dāng)減速行駛，遇行人正在通過人行橫道，應(yīng)當(dāng)停車讓行，機(jī)動(dòng)車行經(jīng)沒有交通信號(hào)的道路時(shí)，遇行人橫過馬路，應(yīng)當(dāng)避讓。機(jī)動(dòng)車與非機(jī)動(dòng)車駕駛?cè)?、行人之間發(fā)生交通事故，非機(jī)動(dòng)車駕駛?cè)?、行人沒有過錯(cuò)的，由機(jī)動(dòng)車一方承擔(dān)賠償責(zé)任，有據(jù)證明非機(jī)動(dòng)車駕駛?cè)诵腥擞羞^錯(cuò)的，根據(jù)過錯(cuò)適當(dāng)減輕機(jī)動(dòng)車一方的賠償責(zé)任，機(jī)動(dòng)車一方?jīng)]有過錯(cuò)的，承擔(dān)不超過10％的賠償責(zé)任。

可見，在我國的交通法中，行人是享有優(yōu)先通行權(quán)，且事故的責(zé)任方大部分為機(jī)動(dòng)車車主，但如果有證據(jù)證明行人違規(guī)，且機(jī)動(dòng)車已經(jīng)采取剎車等必要處置措施，則酌情減輕機(jī)動(dòng)車責(zé)任。而禮讓行人除了依靠機(jī)動(dòng)車駕駛員的個(gè)人素質(zhì)，必要的技術(shù)提醒也十分重要。根據(jù)《T/CTS 2-2020 行人過街智能預(yù)警系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范》，行人過街智能預(yù)警系統(tǒng)是一種設(shè)置在無交通信號(hào)燈控制的人行橫道線處，通過采集過街行人和車輛數(shù)據(jù)，向行人或車輛預(yù)警的系統(tǒng)，包括單向預(yù)警與雙向預(yù)警兩種。

其中，單向預(yù)警是通過行人監(jiān)測(cè)設(shè)備監(jiān)測(cè)行人過街狀態(tài)，向車輛發(fā)布預(yù)警、引導(dǎo)、控制信息。行人監(jiān)測(cè)設(shè)備需具備監(jiān)測(cè)行人即將進(jìn)入人行橫道以及在人行橫道線內(nèi)位置的功能。WTR-820監(jiān)測(cè)行人過街狀態(tài)主要通過雷達(dá)和主動(dòng)發(fā)光交通標(biāo)志/發(fā)光警示裝置的配合來實(shí)現(xiàn)。根據(jù)城市道路斑馬線或其他重點(diǎn)安防區(qū)域監(jiān)測(cè)需求，繪制需要監(jiān)測(cè)的區(qū)域范圍，當(dāng)目標(biāo)行人出現(xiàn)在繪制好的監(jiān)測(cè)區(qū)域時(shí)，雷達(dá)會(huì)監(jiān)測(cè)并上報(bào)目標(biāo)行人的速度和位置信息，作為主動(dòng)發(fā)光交通標(biāo)志/發(fā)光警示裝置的預(yù)警依據(jù)，通過醒目文字、警示燈頻閃、燈光變色等方式向車輛駕駛員發(fā)送遠(yuǎn)距離強(qiáng)警示信息，便于駕駛員提前采取相應(yīng)的讓行措施。

此外，由于WTR-820毫米波人員監(jiān)測(cè)雷達(dá)具有先天的抗干擾能力與環(huán)境適應(yīng)性，可不受風(fēng)、光照、溫度變化等外界環(huán)境因素的干擾，即便是在雨雪、霧霾、沙塵暴等能見度低的環(huán)境下，也能準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)到目標(biāo)行人軌跡，有效降低極端天氣下交通事故的發(fā)生。其抗干擾能力主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

1、頻帶極寬。頻帶越寬就意味著雷達(dá)在采取抗干擾措施時(shí)可利用的頻率資源越豐富，有利于在頻率域?qū)崿F(xiàn)各種抗干擾技術(shù)。如頻率捷變、頻率分集、擴(kuò)頻、快速跳頻等，同時(shí)也有利于避免相鄰頻率雷達(dá)間的相互干擾。另外，頻帶較寬有利于提高距離分辨率，從而提高雷達(dá)的跟蹤精度和目標(biāo)識(shí)別能力。

2、容易得到較窄的天線波束，方向性好，具有很高的空間分辨力，跟蹤精度較高。較窄的波束使地面雜波和多徑效應(yīng)對(duì)其影響小，跟蹤性能較好，對(duì)橫向區(qū)域成像時(shí)也能獲得較高的角分辨率。

3、有較寬的多普勒帶寬，多普勒效應(yīng)明顯，具有良好的多普勒分辨力，測(cè)速精度較高。由于毫米波頻率很高，目標(biāo)徑向運(yùn)動(dòng)時(shí)引起的多普勒頻移就較大，因此就有利用毫米波雷達(dá)前視成像的分辨率和目標(biāo)識(shí)別能力，也提高了雷達(dá)的動(dòng)目標(biāo)顯示性能。

因而，WTR-820人員監(jiān)測(cè)雷達(dá)在分辨力需求高、作用距離適中、環(huán)境因素影響多的行人過街狀態(tài)監(jiān)測(cè)場(chǎng)合具有先天的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)。

綜上所述，人員監(jiān)測(cè)雷達(dá)應(yīng)用于區(qū)域安防監(jiān)測(cè)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)室內(nèi)外多場(chǎng)景多目標(biāo)人員的準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)、精確定位與穩(wěn)定跟蹤，并有效區(qū)分人與非人物體、消除虛警問題，統(tǒng)計(jì)目標(biāo)人員數(shù)量，穩(wěn)定輸出多目標(biāo)人員的距離、速度和角度等信息等；應(yīng)用于站臺(tái)端頭入侵報(bào)警系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)站臺(tái)端頭的無死角覆蓋探測(cè)，幫助對(duì)違規(guī)出入人員進(jìn)行告警、勸阻、報(bào)警和證據(jù)采集，從根本上提升車站站臺(tái)智能化管控和安全水平；應(yīng)用于行人監(jiān)測(cè)，可不受風(fēng)、光照、溫度變化等外界環(huán)境因素的干擾，并穿透煙、灰塵和霧準(zhǔn)確識(shí)別跟蹤目標(biāo)行人，幫助提醒駕駛員注意減速避讓行人，從而減少道路交通事故的發(fā)生；應(yīng)用于私密性較大的室內(nèi)場(chǎng)景時(shí)，除具有上述優(yōu)點(diǎn)外，還可以有效保護(hù)個(gè)人隱私。具有廣闊應(yīng)用前景與商用價(jià)值。